ĐỒ ÁN MÔN ĐIỀU KHIỂN LOGIC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÔNG NGHỆ CẤP NƯỚC TRÊN ĐƯỜNG ỐNG CÓ ĐIỀU KHIỂN THEO ÁP SUẤT

MỤC LỤC Nội dung LỜI NÓI ĐẦU 4 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 5 1.1.Đặt vấn đề 5 1.2. Lý do chọn đề tài 5 1.3. Mục tiêu của đề tài 6 1.4. Giới hạn nghiên cứu của đề tài 6 1.5. Ý nghĩa khoa học thực tiễ của đề tài 6 CHƯƠNG II: TRẠM BƠM CẤP NƯỚC 7 2.1. Thực trạng và nhu cầu thực tế 7 2.2. Vấn đề điều khiển lưu lượng 7 2.3. Điều khiển áp suất trên đường ống bằng biến tần 8 CHƯƠNG III:THIẾT BỊ VÀ PHẦN MẾM SỬ DỤNG 10 3.1.Sơ đồ tổng quan 10 3.2.Tổng quan về các thiết bị 11 3.2.1.PLC S7200 11 3.2.2.Giới thiệu về module EM235 15 3.2.3.Biến tần MM440 18 2.2.4.Cáp kết nối RS485 20 3.2.5.Cảm biến áp suất 22 2.2.6.Động cơ không đồng bộ 3 pha 23 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 27 4.1. Sơ đồ khối 27 4.2.Sơ đồ thuật toán 27 4.3.Sơ đồ đấu dây 29 4.4. Lập trình trên S7200 29 4.5. Cài đặt thông số cho biến tần 37 4.6. S7200 PC Access 38 4.7.Thiết kế mô hình giám sát trên Wincc 7.0 39 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 52 5.1.Kết luận nội dung đề tài 52 5.2.Các hạn chế 52 5.3.Biện pháp khắc phục 52 Tài liệu tham khảo 53

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN

MÔN: ĐIỀU KHIỂN LOGIC

ĐỀ TÀI 15 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÔNG NGHỆ CẤP NƯỚC TRÊN ĐƯỜNG ỐNG CÓ ĐIỀU KHIỂN THEO ÁP SUẤT

MỤC LỤC

Nội dung

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 5

1.1.Đặt vấn đề 5

1.2 Lý do chọn đề tài 5

1.3 Mục tiêu của đề tài 6

1.4 Giới hạn nghiên cứu của đề tài 6

1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễ của đề tài 6

CHƯƠNG II: TRẠM BƠM CẤP NƯỚC 7

2.1 Thực trạng và nhu cầu thực tế 7

2.2 Vấn đề điều khiển lưu lượng 7

2.3 Điều khiển áp suất trên đường ống bằng biến tần 8

CHƯƠNG III:THIẾT BỊ VÀ PHẦN MẾM SỬ DỤNG 10

3.1.Sơ đồ tổng quan 10

3.2.Tổng quan về các thiết bị 11

3.2.1.PLC S7-200 11

3.2.2.Giới thiệu về module EM235 15

2.2.4.Cáp kết nối RS485 20

3.2.5.Cảm biến áp suất 22

2.2.6.Động cơ không đồng bộ 3 pha 23

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 27

4.1 Sơ đồ khối 27

4.2.Sơ đồ thuật toán 27

4.3.Sơ đồ đấu dây 29

4.4 Lập trình trên S7-200 29

4.5 Cài đặt thông số cho biến tần 37

4.6 S7-200 PC Access 38

4.7.Thiết kế mô hình giám sát trên Wincc 7.0 39

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 52

5.1.Kết luận nội dung đề tài 52

5.2.Các hạn chế 52

5.3.Biện pháp khắc phục 52

Tài liệu tham khảo 53

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuậttiên tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh vàhiện đại hơn

Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị vớicác đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là nhữngyếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngàycàng cao hơn

Tự động hóa đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Tự độnghóa đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành Một trongnhững sản phẩm tiên tiến của nó là biến tần.Ứng dụng rất quan trọng củangành công nghệ tự động hóa là việc điều khiển tốc độ động cơ bằng việcthay đổi tần số với độ chính xác rất cao, với những thiết bị điều khiển từ xarất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thật cao

Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em xin phép được thiết kế một

mạch ứng dụng của biến tần đó là “xây dựng công nghệ cung cấp nước

điều khiển theo áp suất trên đường ống” dùng PLC điều khiển biến tần.

Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáotrong khoa điện đặc biệt là giảng viên Nguyễn Đăng Khang- giảng viên khoađiện trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI người đã trực tiếp giảngdạy và cho em kiến thức để hoàn thành đồ án môn học này Em kính mongthầy giáo góp ý để em hoàn thành bài tập lớn này được tốt hơn sau này

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo!

CHƯƠNG I TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ

1.1.Đặt vấn đề

Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thaotác máy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn Nó có khả năng thaythế hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng relay; khảnăng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên cáclệnh logic cơ bản; giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ;

Biến tần (Inverter, Variable Speed Drive – VSD) là thiết bị dùng đểđiều khiển tốc độ động cơ dựa trên sự thay đổi tần số làm việc Trên thếgiới hiện nay, biến tần được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp Ngoài ýnghĩa về mặt điều khiển, nó còn có nhiều chức năng khác như khởi độngmềm, hãm, đảo chiều, điều khiển thông minh… Trong đa số trường hợp,việc sử dụng biến tần còn mang lại hiệu quả kinh tế (tiết kiệm điện năngtiêu thụ) Biến tần được ứng dụng nhiều cho các động cơ có yêu cầu về thayđổi tốc độ như: bơm, quạt, băng tải, thang máy…

1.2 Lý do chọn đề tài

Các trạm bơm cung cấp nước với công suất lớn thường được sử dụngtrong khu công nghiệp, khu dân cư, các chung cư, khác sạn và tòa nhà caotầng, hệ thống phân phối nước sạch trong mạng lưới cấp nước sinh hoạt,các trạm cấp nước nông thông… Các trạm bơm nước phổ biến hiện nayđều được thiết kế theo phương pháp truyền thống với đặc điểm là các bơmđược khởi động trực tiếp sao/ tam giác và tất cả các động cơ đều hoạt động ở

Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường, dựavào những tính năng ưu việt của PLC và biến tần Em xin được lựa chọn đề

tài “Điều khiển và giám sát hệ thống bơm ổn định áp suất” với những

chức năng cơ bản giống với một hệ thống biến tần đa bơm

1.3 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là ổn định áp suất trong đường ống ở một ngưỡngđặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần, hệ thống bơmdựa trên tín hiệu mà cảm biến áp suất trong đường ống đưa về

1.4 Giới hạn nghiên cứu của đề tài

Do kiến thức, thời gian, kinh nghiệm thực tế, còn hạn chế nên đề tài chỉđược thực hiện dưới dạng thiết kế một mô hình với 2 bơm có công suất nhỏ, ápsuất đặt trong đường ống không lớn (0 – 1 bar)

1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài

Điều khiển tự động là xu thế phát triển tất yếu trong các lĩnh vựccông nghiệp cũng như sinh hoạt bởi những ưu điểm vượt trội của nó Ở các

hệ thống điều khiển tự động có quy mô vừa và lớn thì PLC được sử dụnglàm thiết bị điều khiển cho toàn hệ thống

Kết hợp xây dựng một hệ thống điều khiển tự động với các thiết bịđiện tử công suất có ý nghĩa khoa học lớn trong việc xây dựng một hệthống tự động hoàn chỉnh cả về chức năng lẫn hiệu quả kinh tế Đề tài “

Điều khiển và giám sát hệ thống bơm ổn định áp suất ” xây dựng mô

hình kết hợp PLC với biến tần để ổn định áp suất nước trong đường ốngmột cách tối ưu nhất

Về mặt thực tiễn, đề tài đi theo hướng phát triển mới cho các hệ thốngcung cấp nước cho các tòa nhà, khu dân cư…, khắc phục được các nhượcđiểm trong hệ thống cung cấp nước cũ.

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN, MẠCH LỰC

2.1 Sơ đồ khối

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thốngQuá trình điều khiển chủ yếu được thực hiện từ PLC PLC nhận tínhiệu analog từ cảm biến áp suất (được gắn trên đường ống chính) đưa

về, sau khi PLC sử lý tín hiệu đó bằng logic, PLC sẽ ra quyết định điềukhiển biến tần bằng tín hiệu analog ở ngõ ra; biến tần sẽ tự động thay đổitần số theo tín hiệu analog đó, từ đó thay đổi tốc độ bơm, vì thế việckhống chế áp lực trên đường ống trở nên dễ dàng hơn nhiều

- Bộ điều khiển PLC: CPU 224 AC-DC-Relay và Module Analog EM 235của Siemens, Module Analog EM 235 dùng để nhận tín hiệu từ cảm biến ápsuất chuyển đổi tín hiệu đưa về PLC để xử lý, sau khi xử lý xong thì Modul

- Cảm biến áp suất Sensys 0~3.5 bar ngõ ra 4-20mA đo áp suất đường ống

và chuyển đổi để đưa về CPU của S7-200

Ta dùng cổng truyền thông RS485 để kết nối giữa PLC và máy tính

Nhưng do cổng truyền thông của máy tính là RS232 lên do đó cần phải

có một bộ chuyển đổi từ chuẩn RS-232 sang chuẩn RS-485 của PLC

2.2.Sơ đồ thuật toán

Xét mô hình sử dụng biến tần để điều khiển trạm bơm gồm 2 bơm như sau:

Hình 2.2 Mô hình sử dụng biến tần để điều khiển trạm bơm gồm 2 bơm

- Nguyên lý làm việc của hệ thống:

Với mô hình sử dụng biến tần để điều khiển trạm bơm gồm 2 bơm như trên,

để 2 bơm hoạt động theo một áp lực đặt nhất định (X bar) thì ta sẽ điềukhiển hệ thống bơm theo kiểu Chính/phụ dùng biến tần tức là ở đây sẽ chọnbơm số 1 là bơm Chính, bơm số 2 và là bơm phụ

Khi khởi động hệ thống lên thì máy bơm 1được điều khiển bằng biếntần sẽ được khởi động chạy cho tới khi đạt được áp suất đặt, khi áp suấttrong đường ống đã bằng áp suất đặt thì biến tần sẽ giữ ổn định tốc độ củamáy bơm này Trường hợp tải thay đổi tức là áp suất thay đổi, tùy theo tảităng hay giảm thì Biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhay hay chạy chậm.Khi tải tăng tức là áp suất sẽ giảm, lúc này muốn ổn định áp suất thìBiến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhanh hơn ( tức là tăng tần số của máybơm 1) cho tới khi đạt được áp suất đặt

Ngược lại, khi tải giảm thì Biến tần sẽ giảm tần số của máy bơm xuốngcho tới khi đạt được áp suất đặt

Nếu khi bơm Chính đạt tốc độ tối đa 50Hz mà không đáp ứng đủ áplực đặt thì hệ thống điều khiển tiến hành khởi động bơm Phụ chạy với tốc độtối đa 50Hz Khi đó, bơm Chính sẽ tự động điều chỉnh tốc độ liên tục để đảmbảo duy trì đúng áp suất đặt

Khi áp suất đặt thấp hơn áp suất thực tế thì quá trình sẽ diễn ra theo trình

tự ngược lại: bơm Chính giảm dần tốc độ cho đến khi xuống đến tốc độ tốithiểu 0Hz mà áp suất vẫn cao thì hệ thống điều khiển sẽ tắt bơm Phụ khi đóchỉ chạy duy nhất bơm chính để đáp ứng yêu cầu

- Thuật toán:

 Chương trình chính:

 Chương trình con cài đặt bộ PID

4.2 Sơ đồ đấu dây

Hình 2.3 Sơ đồ đấu dây mạch lực

Chương trình con cài đặt bộ PID

 Định ngõ vào ra

Q0.2 Biến tần Công tắc tơ điều khiển biến tần khởi động

Địa chỉ các thông số cho bộ PID

VD104 Giá trị Setpoint SPn (nằm trong khoảng 0 – 1)

VD108 Ngõ ra Mn (Giá trị sau khi đã tính toán, trong khoảng 0 – 1)

Để thiết lập các thông số cho bộ PID khi chương trình hoạt động thì vòngquét đầu tiên ta thiết lập bit SM0.1 để cho phép quét vòng đầu tiên của chươngtrình, khi đó chương trình sẽ gọi chương trình con ra và bắt đầu chạy PID.

Chương trình ngắt Timer0: Cứ 100ms thì chương trình sẽ tự động nhảy vàothực hiện chương trình ngắt Timer0, khi ngắt Timer0 xảy ra thì chương trìnhkhác sẽ dừng và PLC chỉ thực hiện công việc được lập trình trong ngắt Timer,sau khi đã thực hiện xong chương trình ngắt thì sẽ quay trở lại nơi mà bị dừngkhi xảy ra ngắt

Trong đề tài này thì chương trình ngắt sẽ thực hiện công việc là đọc tínhiệu analog từ cảm biến áp suất với đầu ra dòng 0 - 20mA Module EM 235 sẽđọc tín hiệu analog này và ta có thể quan sát thông qua vùng nhớ AIW0 Vì PLCchỉ xử lý trên số thực nên AIW0 sẽ được chuyển sang số thực để thực hiện cácphép tính, cũng như scale về giá trị từ 0 – 1 để đưa vào giá trị đặt PV

Nguyên tắc cơ bản của 1 chế độ ngắt cũng giống như việc gọi 1 chươngtrình con, sự khác nhau ở đây là chương trình con được gọi một cách chủ độngbằng lệnh CALL, còn xử lý ngắt được gọi bị động bằng tín hiệu báo ngắt, hệthống sẽ tổ chức gọi và thực hiện chương trình con tương ứng với tín hiệu báongắt đó, hay nói cách khác hệ thống sẽ tổ chức xử lý tín hiệu báo ngắt đó.Chương trình con này gọi là chương trình xử lý ngắt

Tín hiệu báo ngắt Timer0 được phát ra đều đặn theo chu kỳ thời gian vàđược xác định bởi giá trị của SMB34 Ngắt Timer0 SMB34 là sự kiện ngắt thứ10

Bảng symbol

Hình 2.4 Bảng symbol mã hóa địa chỉ

Chương trình chính

Chương trình con

Chương trình ngắt Timer0

4.5 Cài đặt thông số cho biến tần

 Sau khi đưa tín hiệu PLC vào biến tần Ta tiến hành cài đặt một số thông số của nó, điều khiển tốc độ máy bơm nước 1, nhằm ổn định áp suất trên đường ống

 Đưa tín hiệu tương tự AQW0 vào đầu vào analog số 1 (+), chân số 3 của Biến tần

 Cài đặt thông số cho biến tần điều chỉnh tốc độ máy bơm

• P0300 = 1( Động cơ không đồng bộ)

• P0304 = điện áp định mức động cơ (V)

• P0305 = dòng điện định mức động cơ (A)

• P0307= công suất định mức động cơ( kW hoặc hp) Nếu P0100=0 hoặc 2 là kW, nếu P0100=1 là hp

• P0308 =hệ số cos ϕ định mức của động cơ

• P0309= hiệu suất định mức động cơ (%)

CHƯƠNG III:TÍNH CHỌN THIẾT BỊ

3.1.Sơ đồ tổng quan

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan của hệ thống

Một số thiết bị được dùng:

- PLC đặt biệt sử dụng trong các ứng dụng hoạt động logic điều khiển chuổi sự kiện

- PLC có đầy đủ chức năng và tính toán như vi xử lý Ngoài ra, PLC cótích hợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyểnkhối dữ liệu, khối truyền thông,…

+ PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi.

+ Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém

Cấu trúc bên trong của PLC

Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có 2 phần: Khối xử lý trung tâm

Hình 3.2 Cấu trúc bên trong của PLC(CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra ( I/O)

b Giới thiệu về PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY

- Kích thướt: 120.5mm x 80mm x 62mm

- Dung lượng bộ nhớ chương trình: 4096 words

- Dung lượng bộ nhớ dữ liệu: 2560 words

- Chương trình đƣợc bảo vệ bằng Password

- Toàn bộ dung lƣợng nhớ không bị mất dữ liệu 190 giờ khi PLC bị mất điện

- Xuất sứ: Siemens Germany

- Giá: 5.396.500 VND

Hình 3.3 Hình ảnh của PLC S7-200 CPU 224

- CPU được cấp nguồn 220VAC.Tích hợp 14 ngõ vào số (mức 1 là24Vdc, mức 0 là 0Vdc) 10 ngõ ra dạng relay

™ Mô tả các đèn báo trên S7-200:

- SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu khi PLC có hỏng hóc.

- RUN (đèn xanh): Đèn xanh sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ làmviệc và thực hiện chương trình nạp ở trong máy

- STOP (đèn vàng): Đèn vàng sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ dừng,

không thực hiện chương trình hiện có

- Ix.x (đèn xanh)chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Ix.x Đèn sáng

- Qx.x (đèn xanh): chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Qx.x Đèn sáng

tương ứng mức logic là 1

™ Cách đấu nối ngõ vào ra PLC:

Hình 3.4 Cách đấu nối ngõ vào ra PLC

Cách đấu nối S7-200 và các module mở rộng:

- S7-200 và module vào/ra mở rộng được nối với nhau bằng dây nối Haiđầu dây nối được bảo vệ bên trong PLC và module.Chúng ta có thể kết nốiPLC và module sát nhau để bảo vệ hoàn toàn dây nối CPU224 cho phép mởrộng tối đa 7 module

3.2.2.Giới thiệu về module EM235

Với đề tài này em sử dụng module EM235

- SIMATIC S7-200, ANALOG I/O

- EM 235, FOR S7-22X CPU ONLY

- 4 AI, 1AQ, 12 BIT CONVERTER

- Xuất sứ: Manufacturer: Siemens / Germany

1 đầu ra tương tự (MO,VO,IO) Các đầu nối của đầu ra

Switch cấu hình Cho phép chọn dải đầu vào và độ

phân giải

b.Cách nối dây

Đầu vào tương tự:

- Với thiết bị đo đầu ra kiểu điện áp:

- Với thiết bị đo tín hiệu đầu ra dòng điện:

RA

A+

+ -

Điện áp

L+

Nguồn

24 VDC

Tổng quát cách nối dây:

Hình 3.6 Cách nối dây modul mở rộng

3.2.3.Biến tần MM440

a.Tổng quan về biến tần

- Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được

Hình 3.7 Hình ảnh về biến tần

Phân loại biến tần:

- Biến tần máy điện

- Biến tần van

+ Biến tần trực tiếp

+ Biến tần gián tiếp

• Biến tần nguồn áp ( hay là bộ nghịch lưu nguồn áp)

• Biến tần nguồn dòng ( hay là bộ nghịch lưu nguồn dòng)

Ở đây ta xét đến biến tần nguồn áp

Cấu tạo của biến tần

 Bộ chỉnh lưu

 Bộ lọc

 Bộ nghịch lưu

Nguyên lý hoạt động của biến tần.

Nguyên lý làm việc cơ bản của biến tần cũng khá đơn giản Đầu tiên,nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1chiều bằng phẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode

và tụ điện Nhờ vậy hệ số công suất cosФ của hệ biến tần đều có giá trịkhông phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0,96 Điện áp 1 chiều này đượcbiến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng Công đoạnnày hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực cócách ly) bằng phương pháp điều chế độ rung(PWM) Nhờ tiến độ công nghệ

vi xử lí và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thểlên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thấttrên lõi sắt động cơ

b.Biến tần MM440

Với mô hình này em sử dụng biến tần MM440 của siemens

Thông số của MM440